ARM微处理器与嵌入式系统,史先强 南京博芯电子技术有限公司,目 录,世界正在改变,设备变得更加智能 多功能 适用性增强,内容正在数字化 利用PC上的大量资源 各种设备内容共享,在这些变化的背后,微电子技术（包括生产技术与设计技术）的飞速发展，使得在一块硅片上集成整个系统称为可能，SOC（片上系统）已经成为ASIC（专用集成电路）发展的趋势！,以嵌入式操作系统与嵌入式中间件为代表的嵌入式软件系统已经各类嵌入式应用的核心！,微处理器的演变,1980,1990,1996,1998,嵌入式操作系统的演变,*Percent of total software supplied by RTOS vendor in a typical embedded device,Kernel,集成电路和软件是嵌入式产业的基础 处理器是集成电路的核心和标志 系统芯片（SoC）是集成电路的趋势,嵌入式系统的分类按行业分类,嵌入式系统,工业控制类产品,个人通信与娱乐系统 （手机、DC、DV、MP3、PMP、Video Game etc.） 家电类产品 办公自动化（打印机，复印机、传真机）,网络通信类产品 通信类交换设备 网络设备（交换机、路由器、网络安全）,汽车电子类产品 引擎控制 安全系统 汽车导航与娱乐系统,工业控制类产品 工控 PC 交互式终端（POS、税控收款机、银行终端） 安全监控、数据采集与传输 仪器仪表,医疗电子类产品,医疗电子,军工及航天,Next,嵌入式系统的特点,不可垄断的高度分散的工业，与传统的在PC领域形成的Wintel（微软和Intel）联盟垄断局面不同，嵌入式系统的广泛应用领域以及与具体应用紧密相关的特点决定了没有一家公司能够垄断所有的市场，在这个行业中充满了竞争、机遇和创新精神 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的 。产品在功耗，体积，成本，可靠性，速度，处理能力，电磁兼容等方面均受到应用要求的制约 。 嵌入式系统的软件系统一般都是固化存储在非易失存储器中，软件的代码质量要求高；面对越来越复杂的应用，采用嵌入式实时操作系统（RTOS）作为软件开发平台引进成为趋势,嵌入式系统的特点续,与通用计算机系统一般是由计算机科学或计算机工程方面的专业人士作为开发人员不同，嵌入式系统要求与各个不同行业的应用相结合，因此其开发人员往往是各个应用领域的专家 虽然传统的单片机系统可以认为是嵌入式系统的一个子集，但是现代嵌入式系统在硬件系统，软件系统和应用系统方面的复杂度远远超过了传统的单片机系统。 现代嵌入式系统在处理器架构上有向32位处理器甚至多内核方向发展的趋势 在开发方法上多采用片上仿真与交叉编译，开发语言主要是C语言 现代嵌入式系统往往采用实时操作系统作为软件开发平台 现代嵌入式系统，往往是采用电池供电的系统，如何降低功耗，延长电池使用寿命成为一个巨大的设计挑战,比较常见的嵌入式微处理器,X86系列：Intel ，AMD Power PC系列：FreeScale， IBM ColdFire （68K）系列：FreeScale ARM系列：over 150 vendors（Intel， FreeScale，Philips，TI）,What is ARM?,手臂？还是 武器？ Advanced RISC Machine, 这是一家英国的公司,成立于1990年末,但是这个公司的产品正在改变我们的生活!,In the Beginning,12 engineers Cash from Apple and VLSI IP from Acorn Proof of concept Acorn Archimedes No patents, no independent customers, product not ready for mass market A barn, some energy, belief, experience:,“Were going to be the Global Standard”,The Business Today,*Source - SIA and Semico Research Corp, Q1 2003 Embedded Core Shipments,Offices worldwide = 20+ Employees = 1200 Partners 300 (133 Silicon Partners) More than 2.5 billion ARM Powered products shipped by ARM Partners Market share: Embedded Control Market = 9.1% High-end Embedded Core Market = 78% Total Embedded Core Market = 79.5%*,Embedded Core Shipments,2003 Total Embedded Core*: 1.48 billion,Source: Semico Research Corp, Q1 2004,782.8M,126.2M,19M,88.3M,* Includes all SoC for 32-bit, 64-bit and greater RISC and CISC architectures,46.9M,314M,Other,21%,PPC,3%,68K,8%,MIPS,9%,SH-7XXX,6%,ARM,53%,The ARM Business Model,ARM,Partner,OEM Customer,强大的有线和无线互联网接入能力 4到7英寸的显示屏 能运行Outlook/Word/Excel/PPT/PDF 随时待机 8小时以上电池连续工作时间 高清视频、即时通信、网络电话、随时在线、3D游戏、HiFi音乐,关公战秦琼： ARM与Intel的暗战,NoteBook,UMPC,MID,CMC,PMP，PocketPC,PDA，Phone,Intel 阵营,ARM阵营,产品间的界限正在 变得模糊，Intel与 ARM的竞争已经开始,下一代移动终端的产品特点：,产品对嵌入式处理器新需求,更舒适的使用体验，更强大的处理能力 高性能 X86体系的性能够高，但是功耗偏大 更长的待机时间，随时在线 低功耗 ARM体系的功耗较好，但性能相对较弱 传统的处理器架构，性能与功耗是一对孪生兄弟如何在提高处理器性能的同时降低处理器功耗？ 多核架构：未来处理器发展的唯一方向（ARM COO语） 可重构计算：在较低功耗和较高性能的同时，保持灵活性，并降低芯片成本,未来嵌入式设备，特别是消费类设备，将“退化”为云计算的表达终端！,ARM Connected Community,ARM Architecture,SEP3203,SEP4020,SEP5020,0718,Optimal Pipelining,All operations here are on registers (single cycle execution) In this example it takes 6 clock cycles to execute 6 instructions Clock cycles per Instruction (CPI) = 1,The ARM Register Set,Register Organization Summary,Program Status Registers,Condition code flags N = Negative result from ALU 负数 Z = Zero result from ALU 为零 C = ALU operation Carried out 进位 V = ALU operation oVerflowed 溢出 Sticky Overflow flag - Q flag（DSP) Architecture 5TE/J only Indicates if saturation has occurred J bit Architecture 5TEJ only J = 1: Processor in Jazelle state,Interrupt Disable bits. I = 1: Disables the IRQ. F = 1: Disables the FIQ. T Bit Architecture xT only T = 0: Processor in ARM state T = 1: Processor in Thumb state Mode bits Specify the processor mode,ARM指令的一般编码格式,ARM指令字长为固定的32位。一条典型的ARM指令编码格式如图。 Opcode指令操作符编码 Cond指令执行的条件编码 S决定指令的操作是否影响CPSR的值 Rd目标寄存器编码 Rn包含第1个操作数的寄存器编码 Shifter_operand表示第二个操作数 指令格式S , ,条件执行,N,Z,C,V,Condition code,Instruction,CPSR,ARM指令可以通过增加条件执行码后缀来条件执行 这样可以增加代码密度，看下面的例子 缺省情况下，数据处理指令不影响条件码标志，但是条件码标志可由“S”来设置，CMP不需要加“S” SUBS r1,r1,#1r1减1并设置标志 BNE loop如果Z标志清除则跳转,条件码,立即数常量,ARM指令不能包含32位的立即数常量 所有的ARM都固定为32位长 数据处理指令中有12位可以用作第二个操作数，位7:0是8位立即数，位11:8是移位的位数 规则是“每个立即数是由一个8位的常数循环右移偶数位得到” 汇编器把立即数转换为移位的方式 MOV r0, #4096；0 x40循环右移26位 ADD r1,r2,#0 xFF0000；0 xFF循环右移16位 不能够按照规则生成的立即数会导致错误,谢谢！,